应力三轴度对AZ31镁合金断裂应变的影响

采用试验和有限元数值模拟相结合的方法,分析了应力三轴度对AZ31镁合金断裂应变的影响。对光滑试样和3组不同缺口半径的试样以0.5 mm/min的拉伸速度进行准静态拉伸试验。然后,选取三组试样数据建立了AZ31镁合金在室温下关于应力三轴度对断裂应变影响的模型。将建立的损伤模型代入ABAQUS有限元软件中进行模拟仿真,模拟结果与其余一组试验结果基本一致,验证了该模型的正确性。

基于应力三轴度的铸态42CrMo钢高温拉伸断裂行为分析

利用Gleeble-3500型热模拟试验机对不同缺口半径(0.5,1.0,2.0,4.0 mm)的铸态42CrMo钢缺口试样进行不同温度(1223,1273,1373 K)下的热拉伸试验,基于应力三轴度分析了其高温拉伸断裂行为。结果表明:较高拉伸温度下缺口试样的流变应力较小;随着缺口半径减小,缺口试样流变应力和峰值应力增加,断裂应变减小;当缺口半径为0.5,1.0 mm时,应力三轴度最大值向最小横截面圆心转移;当缺口半径为2.0,4.0 mm时,拉伸过程中最小横截面圆心处的应力三轴度始终最大;随着缺口半径增加,应力三轴度减小;温度由1223 K升至1373 K,试样断口组织平均晶粒尺寸增大;缺口半径由0.5 mm增加至4.0 mm,平均晶粒尺寸增大,微空洞且尺寸及面积分数增加。

应力三轴度和应变率对6063铝合金力学性能的影响及材料表征

对6063铝合金试样在不同应力三轴度和不同应变率下进行拉伸试验,得到了该合金在这两种情况下的力学性能。研究结果表明:随着应力三轴度的减小,材料的等效弹性模量、等效屈服应力减小,但等效断裂应变增大;随着应变率逐渐增大,材料的屈服强度和断裂强度略有增大;断裂应变明显减小;抗拉强度基本不变。Johnson-cook本构模型及其断裂应变模型可以用来描述6063铝合金在不同三轴应力度和不同应变率下的本构及失效关系。通过材料表征,得出了Johnson-cook本构模型及其断裂应变模型中各个参数,为有限元(ABAQUS)模拟提供帮助。

基于大范围应力三轴度的船用低碳钢断裂特性研究

基于有限元修正的平均应力三轴度值的方法,对缺口拉伸、纯剪切、压剪和单轴压缩等多种应力状态下的材料试样进行计算。应力三轴度从-0.33到1.33,涉及压缩、压剪、剪切、拉伸、多轴拉伸等多轴应力状态。最终拟合了两种计及应力三轴度损失的断裂准则,并通过Taylor杆撞击试验进行了仿真分析。结果表明:(1)舰用低碳钢的断裂应变与应力状态密切相关,且在不同的应力三轴度区间差异较大;(2)考虑应力三轴度影响的断裂准则能较好地预测船用低碳钢材料在复杂应力状态下的断裂行为。

基于应力三轴度的材料颈缩和破断行为分析

表征应力状态参量的应力三轴度是控制材料断裂模式的关键因素,所以应力三轴度作为影响材料的断裂因素而被引入到众多失效模型中。利用有限元辅助测试(Finite element Aided Testing,FAT)方法来获取材料等效全程单轴本构关系,进而获取漏斗型试样在拉伸过程中根部截面上的应力三轴度演化情况,并同根据Bridgman应力修正后的单轴本构关系得到的应力三轴度分布进行了对比分析。结果表明,基于Bridgman应力修正得到的应力三轴度与有限元计算结果相差较大。基于应力三轴度分析,讨论了漏斗型试样的破断机理,给出了四种延性材料的等效全程单轴本构关系、破断应变、破断应力和漏斗根部截面的应力三轴度分布随截面中心von Mises等效应变的变化规律。

应力三轴度的有限元计算修正

对某高强度钢制成的光滑圆棒和缺口圆棒进行了系列准静态拉伸实验,采用ABAQUS对每个试件进行了数值模拟,得到了该材料的真实应力应变曲线,拟合出了J-C本构模型和失效模型的部分材料常数。最后,对该高强度钢制成的平板进行了撞击实验,并用得到的J-C模型对平板撞击实验进行了数值模拟,计算结果与实验结果吻合很好,证明利用数值模拟并修正应力三轴度的方法是可行的。

应力三轴度和Lode角的舰用钢动态失效准则

准确获得舰用钢的失效特性是开展爆炸冲击等载荷作用下舰船毁伤评估的重要前提,应力三轴度和Lode参数是衡量材料应力状态的重要参量.为综合考虑应力状态、应变率和温度对舰用钢失效特性的影响,将考虑应力状态的MMC准则与考虑应变率、温度效应的J-C断裂准则相结合,提出了基于应力三轴度和Lode角的典型舰用金属动态失效准则,基于ABAQUS平台开发了VUMAT材料子程序,给出了动态失效准则的一般流程和实现方法.最后,通过开展一级轻气炮发射弹体侵彻2 mm厚舰用低碳钢穿甲试验,获得弹体侵彻钢板前后的速度变化,结合弹体侵彻钢板后剩余速度的比较对失效准则的有效性进行了验证.结果表明,考虑应力三轴度和Lode角的动态损伤失效准则能有效预测舰用金属材料的动态损伤失效,新模型较常用的J-C断裂准则在预测弹体剩余速度方面具有更高准确性.新准则可用于预测爆炸、冲击和侵彻等载荷作用下舰船结构爆炸破口尺寸、破坏模式、弹体剩余速度等.

应力三轴度对7075铸态铝合金断裂应变的影响研究

基于ABAQUS/Explicit有限元平台,以有限元仿真为主,并结合室温下的准静态拉伸试验,研究了应力三轴度对7075铸态铝合金断裂应变的影响,建立了可靠的7075铸态铝合金单向拉伸断裂预测模型,进而采用正交回归分析建立了7075铸态铝合金断裂应变与应力三轴度的关系模型。结果表明,在室温下,单向拉伸速率为0.004 mm·s^（-1）时,每个试样在缺口处断裂应变最大,而应力三轴度最小;在断裂临界点,缺口处的应变随着缺口半径R的增大逐渐增大,由缺口处向两端逐渐减小;应力三轴度随着缺口半径R的增大逐渐减小,且由缺口处向两端逐渐增大;7075铸态铝合金断裂应变随着应力三轴度的增大而减小;断裂应变与应力三轴度成反比例关系。

基于应变路径和分布效应的应力三轴度确定方法

对于延性损伤破坏材料,为了确定缺口试件在拉伸试验中的应力三轴度,建立应力三轴度相关的材料失效破坏函数关系,基于缺口试件在整个拉伸过程中的应变路径和应力三轴度在最小横截面上的分布效应,结合数值模拟,对现有的缺口试件应力三轴度确定方法进行了比较研究,给出了缺口试件更为合理的应力三轴度确定方法。

应力三轴度对316LN钢临界损伤值的影响

利用Gleeble-1500D热模拟机对316LN钢做温度1 050℃、应变速率0.5s-1的高温拉伸试验,试样尺寸Φ10mm×121.5mm,缺口半径分别为0.5mm、1mm、2mm和4mm,得到不同缺口半径试样的真应力-真应变曲线。通过数值模拟得到试样初始拉伸时的应力三轴度最大值及空洞形核时的临界损伤值,结果表明,缺口试样的临界损伤值随应力三轴度的增大而增大,即应力三轴度越大,裂纹越不容易萌生。通过对实验数据和模拟结果的回归分析,建立应力三轴度与空洞形核应变的定量关系模型。

应力三轴度对TA31钛合金失效行为的影响研究

TA31钛合金由于其塑韧性高、可焊性好等优点,已成为深海装备的优先选用材料之一。本文以TA31钛合金为研究对象,首先开展典型钛合金试件的断裂性能试验,分析应力三轴度等参量对TA31钛合金断裂性能的影响规律,借助扫描电镜对试件的断后形态进行断口分析,阐明TA31钛合金在复杂应力状态下的断裂失效机理。然后,在Johnson-Cook模型中引入平均应力三轴度参数的影响,形成计及应力状态参量影响的本构关系模型,通过试件试验数据进行模型参数校准,建立适用于复杂应力状态下的TA31钛合金塑性硬化模型,并将该模型扩展应用于深潜器耐压球壳结构极限承载能力的评估中。本研究可为深海装备钛合金结构设计与评估提供研究基础。

韧性损伤模型在负的应力三轴度下的实验验证

在自行设计的压-扭试验装置上用正火状态的20号钢的薄壁圆管进行了压-扭实验,以检验作者提出的韧性损伤模型在应力三轴度为负状态下的适用性.研究结果表明,作者所提出的韧性损伤模型对应力三轴度为负的状态是适用的.由压-扭实验结果的分析表明,正火状态的20号钢在压-扭状态下的韧性特征参量遵从平均值为0.613、标准差为0.052的正态分布.此外,进一步完善了原先提出的材料韧性特征参量的估算式.

循环载荷下ECAP纯铜应力三轴度的分布

应力三轴度是决定金属损伤演化的关键因素。为了了解应力三轴度在细晶组织中的分布情况,通过电子背散射衍射法(EBSD)获得8道次等径角挤压(ECAP)纯铜的微观组织信息;并基于晶体塑性有限元法建立代表性的体积单元,探讨8道次ECAP纯铜在循环载荷下应力三轴度的分布现象与规律。结果表明:在循环加载初期应力三轴度的分布是不均匀的,循环加载20圈后,分布不均匀程度增大;极大和极小的应力三轴度多分布在晶界处,通常是软取向、硬取向晶粒相邻的情况。

下料中棒料热应力三轴度的研究

提出了下料中金属棒料V形槽尖端热应力三轴度的概念。探讨了水流速度和绝热边界的宽度对该热应力三轴度的影响规律,并在此基础上,获得了棒料V形槽尖端附近微小裂纹起裂方向的判断方法。

6061-T6铝合金断裂应变与应力三轴度关系研究

研究材料断裂应变与应力三轴度的关系,从而建立其断裂失效模型,对分析6061-T6铝合金断裂失效过程具有重要理论意义和应用价值。分别借助数字图像相关(DIC)测量技术和Abaqus软件对6061-T6铝合金光滑圆棒试件与缺口圆棒试件准静态拉伸过程进行试验和数值模拟,基于所得结果对后者应力三轴度进行分析和修正,从而得到Johnson-Cook(J-C)失效模型的部分材料参数,并建立了6061-T6铝合金断裂应变与应力三轴度的关系模型。将建立的失效模型输入到Abaqus中进行断裂数值模拟,模拟结果与试验结果基本一致,验证了失效模型的正确性。研究表明:6061-T6铝合金的断裂应变随应力三轴度的增加而减小;采用J-C失效模型可以较好的描述6061-T6铝合金在不同应力三轴度下的断裂失效行为。

应力三轴度对船用钢断裂破坏的影响机理分析

应力三轴度对船用钢的断裂损伤具有很强的影响。本文通过对典型船用钢Q345B、921A等两种金属材料开展不同应力三轴度下的力学性能试验,利用电镜扫描技术对各试件断裂后的破口进行观察,采用数值仿真手段对试件断裂过程进行模拟,揭示了应力三轴度对船用钢断裂破坏的影响机理。结果表明:(1)试件断裂过程中应力三轴度处于不断变化的过程(剪切试件除外),断裂时刻试件断口位置应力状态分布不一致,结合电镜扫描结果确定了各类试件起始破坏位置;(2)不同应力三轴度下试件断口形态存在较大区别,剪切试件主要形成剪切带而引起破坏,拉伸试件主要由孔洞成长形成韧窝破坏;(3)应力三轴度“断崖现象”与试件类型存在较大关系。本文的研究成果可为后续断裂准则的拟合及材料断裂力学性能试验的开展提供指导。

应力三轴度对聚乙烯材料损伤及断裂的影响

通过实验和有限元模拟相结合的方法研究了应力状态对聚乙烯材料(polyethylene,PE)损伤和断裂的影响。首先,以1 mm/min的速度拉伸4种有缺口的PE圆棒试样直至断裂;其次,在有限元模拟中采用一种唯象型损伤本构模型,重现实验测得的工程应力-位移曲线;第三,通过不考虑损伤和考虑损伤的有限元分析分别得出PE材料有损伤和无损伤的真实应力-应变关系,并建立基于真实应力衰减的损伤演化模型;最后,通过上述模型进一步分析不同有缺口试样的应力三轴度分布规律,研究应力三轴度对损伤演化、临界损伤参数和临界断裂应变的影响。研究结果表明:PE材料有明显的缺口效应,屈服应力随缺口半径减小而增加;试样横截面上的应力三轴度分布并不均匀,并且随着应力三轴度增大,应力三轴度最大位置由中心点向外移动到离中心点2/3半径的位置;当应变小于0.3时,有损伤与无损伤真实应力随着应力三轴度减小而增大,当应变大于0.3时,损伤与无损伤真实应力随着应力三轴度增大而增大;应力三轴度越大,损伤起始越早,演化越快,但断裂应变越小。

低应力三轴度下孔洞行为的有限元研究

基于有限元计算研究了低应力三轴度下,三维孔洞体胞模型的应力应变分布规律和变化趋势,分析了孔洞和基体体积的变化规律,指出用孔洞体积分数表征材料损伤的理论在低应力三轴度下的应用存在局限性。引入断裂应变作为单元失效判据,通过比较单轴拉伸试验和模拟结果,验证了其在材料失效模拟中的可靠性。最后将断裂应变应用到有限元模拟中获得不同应力三轴度下基体失效时的临界等效塑性应变,以临界等效塑性应变为表征参量研究孔洞变形规律和材料的失效行为。

不同应力三轴度断裂的晶粒尺度效应及损伤建模

开展了不同晶粒尺寸及应力状态下的薄板拉伸实验,发现晶粒一致时断裂应变随应力三轴度的增加逐渐减小,针对剪切应力状态,晶粒尺寸增大导致断裂应变增大,并且晶粒尺寸过大会导致试样断裂形式改变;而针对单拉及平面应变状态,随晶粒尺寸增大,断裂应变减小。为描述尺度效应及应力状态影响,通过有限元仿真,利用考虑尺度效应的GTN-Thomason模型模拟了试样的变形过程,对比了实验与仿真的力-位移曲线,验证了模型在较高应力三轴度下的准确性,仿真结果表明,晶粒尺寸增大导致孔洞连接加快,应力三轴度增加有利于孔洞增长从而导致快速断裂。进一步地,在考虑尺度效应的GTN-Thomason模型基础上加入剪切因素影响,提高了损伤模型在较低应力状态下的预测精度。

考虑应力三轴度影响的30CrMnSiNi2A钢韧性断裂研究

30CrMnSiNi2A钢是一种在军工领域应用广泛的低合金高强度钢。针对结构完整性的评估问题,采用试验和数值计算结合的方法研究了30CrMnSiNi2A钢的韧性断裂特性。对光滑圆棒试件在不同温度下进行准静态和动态拉伸试验,并通过有限元迭代方法标定了材料的Johnson-Cook动态本构模型参数,分析了温度和应变率对30CrMnSiNi2A钢断裂行为的影响。开展了缺口圆棒拉伸、缺口平板剪切和圆柱压缩试验,计算了各试件对应的平均应力三轴度和断裂应变,给出了应力三轴度在-1/3~1.5区间内的断裂应变变化曲线,分别确定了Johnson-Cook和Bao-Wierzbicki失效模型参数。研究表明,30CrMnSiNi2A钢的断裂应变与应力状态密切相关,且在不同的应力三轴度区间内曲线单调性差异较大,Bao-Wierzbicki失效模型较好地描述了这种钢在不同应力状态下的断裂特性。